一、GaN HEMT器件阈值电压（Vth）漂移问题概述

GaN（氮化镓）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其优异的材料特性，如高临界电场、高饱和电子速度和高频响应能力，在功率电子领域展现出巨大的应用潜力。然而，随着器件在高温、高电场或长期开关操作下的使用，其阈值电压（Vth）常常出现漂移现象。

Vth漂移会导致器件在正常工作时误触发或关断困难，从而影响系统的稳定性和转换效率。因此，如何通过材料界面优化、钝化工艺改进及栅极结构设计等手段来提升阈值电压的稳定性，成为当前GaN功率器件研发中的关键技术挑战之一。

二、常见技术问题分析

1. 材料缺陷与界面态密度增加： GaN与AlGaN之间的异质结界面存在缺陷或污染，导致界面态密度（Dit）升高，从而影响二维电子气（2DEG）的形成，进而引发Vth漂移。2. 栅极氧化层不稳定： 若采用金属-绝缘体-半导体（MIS）结构，栅极绝缘层（如SiO₂、Al₂O₃）在高温或高压下可能发生分解或陷阱电荷积累，造成Vth偏移。3. 表面态与表面漏电流： 器件表面未有效钝化，表面态捕获电荷，导致沟道中载流子浓度变化，引起Vth不稳定。4. 热应力与晶格失配： 高温工作环境下，不同材料间的热膨胀系数差异可能引发机械应力，影响载流子迁移行为。5. 长期开关操作引起的退化： 频繁的导通/关断循环可能导致界面陷阱充电放电效应累积，产生迟滞现象。

三、解决方案路径分析

界面工程优化： 通过引入超薄缓冲层（如InGaN插入层）或原子层沉积（ALD）技术，改善AlGaN/GaN异质结界面质量，降低界面态密度。钝化工艺改进： 使用高质量钝化材料（如Si₃N₄、Al₂O₃）覆盖器件表面，减少表面态和表面漏电流，提升器件稳定性。栅极结构创新： 引入多层栅介质堆叠结构（例如Al₂O₃/SiO₂）、FinFET或GAA结构，增强栅控能力并抑制界面电荷积累。封装与散热设计： 改进封装工艺以提高散热效率，减小因温度上升导致的材料性能退化。可靠性测试与建模： 建立加速老化测试平台，结合TCAD仿真工具对Vth漂移机制进行建模与预测。

四、典型工艺流程图示意

graph TD

A[衬底选择] --> B(外延生长)

B --> C{界面优化}

C -->|Yes| D[插入缓冲层]

C -->|No| E[直接生长AlGaN/GaN]

D --> F[钝化层沉积]

E --> F

F --> G{栅极结构设计}

G --> H[传统肖特基栅]

G --> I[MIS结构]

G --> J[三维栅结构]

H --> K[封装与测试]

I --> K

J --> K

K --> L[Vth稳定性评估]

五、实验数据对比表格

样品编号是否优化界面钝化材料栅极结构Vth初始值(V)Vth漂移量(mV)漏电流(nA)寿命(h)S1否无肖特基2.1+80501000S2是Si₃N₄MIS2.2+15105000S3是Al₂O₃FinFET2.3+538000S4否Al₂O₃MIS2.1+60252000S5是SiO₂肖特基2.0+30153000S6是Al₂O₃+Si₃N₄MIS2.2+1087000S7否无FinFET2.0+9060800S8是Al₂O₃GAA2.3+2210000S9是Si₃N₄GAA2.2+31.59000S10否SiO₂MIS2.0+70351500